Полученные результаты приводят нас к очень интересному вопросу, связанному с ПЗС-камерами (особенно ч/б): если освещенность объекта такая же, как в солнечный день (примерно 100 000 лк), то F-число должно быть очень велико. Это порядка 0.1–0.3 лк (или около того) для полного видеосигнала. Такое F-число действительно столь велико, что объектив должен ослаблять сигнал в 1 000 000 раз. Используя приближенную формулу (16) и предполагая такие же значения для τ = 0.8 и р = 0.5, а также имея в виду, что ПЗС-матрица камеры требует 0.2 лк на 1 Vpp сигнал, мы получим F-число, равное 886.
Это очень большое число для механических средств (листового затвора). Точность его движения ограничена, и, что еще более важно, при малых раскрытиях диафрагмы становится заметен нежелательный оптический эффект, называемый краевой рефракцией Френеля. На практике это означает, что очень высокие F-числа не могут быть достигнуты при использовании лишь механических методов. Поэтому используются специальные оптические фильтры нейтральной плотности (neutral density filter, ND), чтобы помочь затвору обеспечить высокие F-числа, требуемые для чувствительных ПЗС-матриц.
Для обеспечения полностью насыщенного сигнала в 1 Vpp на выходе камеры (с отключенной АРУ) в случае ч/б ПЗС-матриц Епзс должно быть около 0.1 лк. Некоторые производители приводят более низкие значения, ссылаясь обычно лишь на процент видеосигнала.
Цвет и телевидение
Цвет — очень важная и сложная проблема в видеонаблюдении. Хотя многие все еще предпочитают монохромные (ч/б) камеры, которые имеют более высокую чувствительность и реагируют на невидимый инфракрасный спектр, цветные камеры получают все более широкое распространение. За последние несколько лет, прошедшие со времени предыдущего издания книги, немало производителей стали предлагать так называемые камеры «день/ночь», которые автоматически переключаются в черно-белый режим, когда уровень освещенности падает ниже определенного значения.
Цвет дает ценную дополнительную информацию о наблюдаемых объектах. Но важнее то, что человеческий глаз фиксирует цветовую информацию быстрее, чем мелкие детали объекта. Впрочем, недостатком цветных телекамер были худшие (по сравнению с черно-белыми телекамерами) эксплуатационные показатели в условиях слабой освещенности. Это связано с использованием инфракрасного отсекающего фильтра на ПЗС-матрицах цветных телекамер, который ослабляет свет и убирает невидимое излучение инфракрасного диапазона. На этом мы остановимся более подробно в соответствующей главе, посвященной телекамерам, а сейчас отметим, что постоянное усовершенствование технологии ПЗС значительно улучшает работу цветной камеры при минимальном освещении. Если еще несколько лет назад мы имели показатель 10 лк @ F1.4, то сегодня могут «видеть» при 1 лк @ F1.4 на объекте и даже меньше.
Как уже говорилось, цвета, которые мы видим, соответствуют волнам света разной длины.
Например, видимый нами красный цвет — это излучение с соответствующими длинами волн, отраженное от красного объекта, на который падает белый свет. Черный поглощает волны почти любой длины, тогда как белый большинство из них отражает.
Наука цветов очень сложна, и становится еще сложнее, когда окружающие нас естественные цвета воспроизводятся при помощи покрытия ЭЛТ люминофором.
Идея создания цветов в телевизоре заключается в смешении путем сложения (аддитивном) соседних люминесцентных точек трех основных цветов. Эти крошечные точки очень малы и представляют собой элементы маски экрана ЭЛТ-монитора. Такая же концепция используется и при смешивании цветов в плазменных панелях и ЖК-мониторах, но, поскольку в видеонаблюдении по-прежнему наиболее распространены ЭЛТ-мониторы, мы детально рассмотрим именно их.
Фактическое смешивание цветов происходит тогда, когда мы смотрим на монитор с нормального расстояния (в пару метров), и глаз воспринимает итоговый цвет каждой из этих трех точек.
Для сравнения, в живописи и печати цвета получаются в результате смешения путем вычитания цветов (субстрактивного).
При аддитивном смешении цвет получается путем покрытия ЭЛТ люминофором, и сложение цветов делает итоговый цвет ярче. Поэтому, чтобы получился белый, должны присутствовать все три цвета в соответствующей пропорции. Получающиеся в результате цвета производятся путем сложения цветов.
Когда цвета смешиваются путем вычитания, мы используем бумагу или акриловое волокно в качестве вторичного источника света (отраженного), и цвета смешиваются в нашем глазу после того, как они отражаются от поверхности. Если мы смешиваем (путем сложения) все основные цвета, то получаем более темные цвета, а не более яркие. Цвета смешиваются отраженным светом, чей цвет определяется пигментом, который поглощает (вычитает) длину волны его поверхности.
Но вернемся к телевизору. В качестве основных, как уже упоминалось, используются три цвета: красный, зеленый и синий (RGB).
Рис. 2.13. Цветное изображение в телевидении создается при помощи тройных точек из кристаллического люминофора (RGB)
Теория телевидения и многочисленные эксперименты демонстрируют, что с помощью этих трех основных цветов можно передать большинство естественных цветов (но не все).
Очевидно, внутри цветной ЭЛТ имеются три разных люминесцентных слоя, каждый из которых излучает собственный цвет во время электронного облучения.
Три основных люминесцентных слоя имеют различные свойства яркости, то есть равная интенсивность пучка производит неравную яркость. Чтобы компенсировать эти несоответствия основных люминесцентных слоев, все цветные телевизоры и мониторы оснащены специальной матричной схемой, которая умножает каждый цветовой канал на соответствующее корректирующее число.
Это демонстрирует самое известное уравнение яркости цветного ТВ, которое с помощью электроники применяется к трем основным сигналам в ЭЛТ:
L = 0.3R + 0.59G + 0.11B (28)
Рис. 2.14. Теневая маска RGB
Синий люминофор производит больше света, чем другие два, и поэтому, чтобы уменьшить его яркость и уравнять с двумя другими элементами, его надо умножить на 0.11. В этой книге мы не будем слишком углубляться в теорию цветов в телевизоре, поскольку это тема отдельной книги, но читателю важно оценить сложность проблемы и понять, что все цвета в телевизоре получаются путем визуального аддитивного смешения (сложения) трех основных цветов люминофора ЭЛТ: красного, зеленого и синего.
Цветовая температура и источники света
В телевидении и фотографии, когда говорят об источниках света, пользуются термином «цветовая температура».
Цветовая температура — это температура, до которой нагрето воображаемое абсолютно черное тело, излучающее свет вследствие нагрева.
Согласно физической теории, спектр света, произведенного нагреванием, зависит главным образом от температуры тела, а не от материала. Это важнейшее утверждение было доказано Максом Планком, который вывел формулу, объясняющую взаимосвязь между максимальными длинами излучаемых волн и температурой, до которой нагрето тело:
λm = 2896/T (29)
Здесь λm — длина волны, а Т — температура в градусах Кельвина.
Рис. 2.15. Типичный источник света 3200° К с вольфрамовой лампой, используемый при фотосъемках
Из диаграммы на рис. 2.16 видно, что максимальные значения различных температур находятся вне видимого спектра, то есть в инфракрасной области. Для нити накаливания из вольфрама рабочая цветовая температура приблизительно равна 2800° К, и больше чем 3/4 энергии излучается в инфракрасной области в виде теплового излучения. Тепло — это не что иное, как инфракрасный свет. Более высокую температуру для вольфрамовой лампы использовать нельзя, потому что точка плавления вольфрама равна примерно 3500° К. Увеличение температуры выше 2800° К значительно сократит срок службы вольфрамовой лампы. Чтобы минимизировать горение нити, в современных вольфрамовых лампах воздух из лампочки выкачивается.
Рис. 2.16. Спектральная характеристика черного тела при различных температурах
Вольфрамовые лампы годятся для ч/б камер, так как они более чувствительны к инфракрасной части спектра. Цветным камерам нужно обеспечивать компенсацию желтого/красноватого цвета, производимого источником света в 2800° К.
Для более точного тестирования камер очень часто используются источники света с цветовой температурой примерно 3200° К. Их можно приобрести в магазинах, торгующих профессиональной фототехникой. Имеется достаточно простое правило, которое позволит вам посчитать цветовую температуру и световой поток таких источников света:
